基于模糊PID控制的磁力耦合器调速系统研究

张星亚 朱金龙

摘要：磁力耦合器作为一种新型的连接机构，凭借着其优良的性能正逐渐被广大厂家企业所认知和接受，因此磁力耦合器调速机构的智能控制研究就顯得极为重要。本文将模糊算法与传统PID控制相结合，首先建立磁力耦合器的调速系统模型，分别仿真常规PID控制与模糊PID控制在系统中的响应效果，结果显示模糊PID控制更加稳定，控制精度更加精确，该研究为磁力耦合器调速机构的控制方法提供了参考。

关键词：磁力耦合器调速系统；matlab；PID控制；模糊控制

磁力耦合器通过调节其气隙大小做到调控输出端转速转矩大小。磁力耦合器作为现在新兴的一种调速机构，凭借其优良的性能和出色的可靠性为广大企业工厂所认知和使用，并应用于多种场所，取得了良好的效果。现如今，智能化自主控制已经成为各个行业的发展趋势，对于新兴设备磁力耦合器调速系统的智能化控制就显得尤为重要。磁力耦合器调速原理为将电机与负载借由非接触式磁力传动连接在一起，通过控制器和执行器来实现气隙大小的改变，从而调节机构输出的转矩与速度。其调速系统由磁力耦合器，控制器，执行器三个部分组成。

1 常规PID控制

常规的调速系统其控制器主要为PID控制，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。控制规律可以总结为

u（t）=KPe（t）+KI∑tj=0e（j）+KD[e（t）-e（t-1）]

常规PID控制有着良好的稳定性和鲁棒性，由于结构简单，被广泛应用于机械，冶炼，电力等多个工程控制方面。在如今的现代化工业生产中，仍然有90%以上的工程控制使用常规PID控制。在此基础上建立磁力耦合器调速控制系统的matlab数学模型。

运行常规PID控制模型，可以得到输出波形如图1，从波形图上可以看出，虽然常规的PID控制的初始上升时间很快，但输出存在震荡，输出振幅明显信号不稳定且存在超计量输出。对整个系统的稳定运行和使用寿命上都有不利的影响，对于调速机构来说控制精度不能够得到保证，在实际运用的过程中并不能很好地满足工作需要。

2 模糊PID控制

模糊算法是1965年，由美国的Lotfi A.Zadeh教师所创立的，并于1972年，在《A Rationale for Fuzzy Control》杂志上发表论文首次提出了将模糊算法应用于控制工程上。与传统的控制方法相对比，涵盖了模糊算法的控制系统，无需对控制的过程与对象进行数学建模，避免了因数学建模不健全或无法建模带来的控制不准确，行为缺失。在工程中，特别是对于类似于矿山这种较为恶劣的工作环境下，感应系统并不能保证十分稳定，但对其控制系统的稳定性要求特别高。这样就需要在控制变量上存在一定程度的偏差，借由模糊算法所产生的模糊量能够即保证执行器的稳定运行，同时也不会使机器频繁运作，造成不必要的危险和浪费。所以这种基于操作人员经验进行控制的模糊算法的使用效果要远远好于按照经典理论的自动控制系统，基于人类经验的智能控制方式——模糊控制，其优势为不需要精确的数学模型；非专业性，是一种基于人类经验的控制策略；具有极好的稳定性和鲁棒性；较好的经济特性；操作简单便捷；具有自我整定功能；是一种优秀的控制模式。

接下来编写其控制规则，在传统PID控制的操作规则气隙增大，加速运转和气隙减小降速运行的基础上，增加新的模糊规则使操作流程细化，运行过程更为流畅。主要的物理意义为：（1）在机构运行调速的过程中前后两个时间段误差的误差值小且变化率为正时，调整气隙的变化速度使其趋缓；

（2）前后两个时间段误差的误差值小且变化率为负时，调整气隙的变化速度加快；

（3）运转过程中前后两个时间段误差大且变化率为正时，表明运转过程中可能某个环节出现问题，机构整个停止运行；

（4）运转过程中前后两个时间段误差大且变化率为负时，表明运转机构正在逐步进入正轨，机构保持现有状态继续运行。

将其编写入matlab中具体模糊规则可以得到模糊PID控制的响应曲线如图2，从曲线中可以看出信号的的输出平稳上升没有振荡，整个系统以一种稳定平滑的状态启动和运行，且没有超剂量输出，增强了机构感应部件和执行部件的可靠性，有利于机构软启动的进行。机构运行平稳，振幅小且有利于延长机构的使用寿命和减小突发事件发生的概率以及造成的影响。

3 结语

时代在不断发展，对于控制的要求也在不断提高。面对复杂机构和一些复杂情景需要人为经验进行判断的场合，常规PID控制的控制精度和鲁棒性降低，机械性的操作流程并不能满足运行的需要。在这里将模糊算法与PID控制器相结合，生成模糊PID控制器，在人为经验基础下编写的控制规则使整个控制系统更加稳定，输出平稳，具有自我调节功能。从实验仿真数据可以看出，对比常规PID控制器，模糊PID控制器拥有更好的稳定性，运行快速，操作简单。针对不同工作环境操作需求还可以随时修改增减模糊规则，具有很强的适应性和重复利用率。该控制方法为磁力耦合器调速系统控制提供了参考。

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作者简介：张星亚（1993），男，安徽蚌埠人，研究生在读，研究方向：磁力传动。